光学成像系统及设计方法与流程

本发明涉及光学成像
技术领域：
，尤其涉及一种包含液晶透镜的光学成像系统及设计方法。
背景技术：
：随着科学技术的发展，市场对电子产品的摄像镜头的需求逐渐增大。便携式电子产品越来越趋向于小型化，这限制了镜头的总长，从而增加了镜头的设计难度。目前在光学成像系统中，通常希望系统的入瞳直径更大，通光孔径更大、光焦度可调范围更大、响应速度更快、透过率更大。然而由于系统中各光学参数之间存在一定的制约关系，显然不能同时满足这些条件，所以需要平衡这些光学变量，使系统尽量满足使用要求。因此，本发明提出了一种可以增大系统入瞳直径，且系统的横向放大率保持不变的光学成像系统。技术实现要素：本发明的主要目的在于提出一种光学成像系统及设计方法，旨在解决现有光学成像系统入瞳直径小的技术问题。为实现上述目的，本发明一方面提供一种光学成像系统，前组透镜、液晶透镜和后组透镜，所述光学成像系统的入瞳放大率m为：m＝1/(1-d1*p1)其中，d1为前组透镜与液晶透镜的光学间隔，p1为前组透镜的光焦度。进一步的，所述液晶透镜位于所述光学成像系统的光阑位置处，所述液晶透镜的孔径为所述光学成像系统的光阑。进一步的，所述光学系统的焦距为16mm，f/no为3.2，半视场角hfov为12.5°。进一步的，所述前组透镜包括第一透镜，第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的像侧面为凹面，所述后组透镜包括第四透镜和第五透镜，所述第四透镜物侧面为凹面，所述第四透镜像侧面为凸面，所述第五透镜物侧面为凸面，所述第五透镜像侧面为凹面。进一步的，所述光学成像系统还包括位于所述后组透镜侧的滤光片和图像传感器。进一步的，所述光学成像系统的物面半径为12～13，物面间距为3～3.5，或者，所述光学成像系统的物面半径为95～100，物面间距为2.5～3，或者，所述光学成像系统的物面半径为5.0～5.5，物面间距为2.0～2.3，或者，所述光学成像系统的物面半径为35.0～35.5，物面间距为0.09～0.12，或者，所述光学成像系统的物面半径为55～57，物面间距为1.7～1.9，或者，所述光学成像系统的物面半径为2.5～2.6，物面间距为1.0～1.1。进一步的，所述光学成像系统的物面半径为-10.0～-10.5，物面间距为2.5～3.0，或者，所述光学成像系统的物面半径为-4.0～-4.5，物面间距为0.09～0.11，或者，所述光学成像系统的物面半径为6.3～6.5，物面间距为1.4～1.6，或者，所述光学成像系统的物面半径为13.4～13.6，物面间距为0.9～1.1。本发明另一方面还提供一种光学成像系统设计方法，所述光学成像系统包括前组透镜、液晶透镜和后组透镜，所述方法包括：将所述液晶透镜放置于所述光学成像系统光阑处，光阑口径为所述液晶透镜的通光孔径；将所述液晶透镜等效为理想透镜和预设厚度的平板玻璃，计算所述光学成像系统的入瞳放大率和光焦度；根据设计要求模拟出不同入瞳放大率对应的前组光焦度p1和系统光焦度变化δp变化关系数据；选取至少一组所述前组光焦度p1和系统光焦度变化δp变化关系数据对所述光学成像系统进行优化。进一步的，所述选取至少一组所述前组光焦度p1和系统光焦度变化δp变化关系数据对所述光学成像系统进行优化包括：根据所述变化关系数据中的光焦度和光学间隔，将前组透镜、液晶透镜和后组透镜分别作为理想透镜进行模拟；固定前组透镜，将后组透镜实体化，其中，后组透镜选用2个光学元件，限定所述光学元件的焦距，光线高度，并进行像差优化；固定后组透镜实体化系统，将前组透镜实体化，其中，前组透镜选用3个光学元件，限定所述光学元件的焦距，光线高度，并进行像差优化；对所述光学成像系统进行优化，使其在满足光学结构参数的条件下，系统达到预设性能。进一步的，所述预设性能为液晶透镜在变焦过程中横向放大率不变，所述对所述光学成像系统进行优化，使其在满足光学结构参数的条件下，系统达到预设性能包括：根据光学理论论证所述光学成像系统中确定所述液晶透镜在变焦过程中横向放大率不变；通过光学软件仿真模拟所述液晶透镜在变焦过程中横向放大率不变。本发明提供的一种光学成像系统及设计方法，将液晶透镜与光学系统结合起来设计，将液晶透镜放置在光学系统内部适当的位置，通过前组透镜的放大作用，增大系统的入瞳直径，进而增加系统的光通量；更优情况下，将液晶透镜放置于系统光阑的位置，从而实现对焦过程放大率不变的特性，并且减小光学系统的瞳孔像差。附图说明图1为本发明实施例一提供的一种光学成像系统结构示意图；图2为本发明实施例一提供的所述光学成像系统的rmsspot图；图3为本发明实施例一提供的所述光学成像系统的衍射mtf图；图4为本发明实施例二提供的一种光学成像系统的设计方法的流程图；图5为本发明实施例二中模拟出入瞳放大率m＝1.8和m＝2.5对应的前组透镜光焦度p1和系统光焦度变化δp变化关系的曲线图；图6为本发明实施例二中将前组透镜、液晶透镜和后组透镜分别作为理想透镜的模拟结果图；图7为本发明实施例二中光学成像系统光路图；图8为本发明实施例二中光学成像系统的仿真模拟结果；本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。实施例一本发明实施例一提供一种光学成像系统，该光学成像系统包括：前组透镜、液晶透镜和后组透镜，所述光学成像系统的入瞳放大率m为：m＝1/(1-d1*p1)其中，d1为前组透镜与液晶透镜的光学间隔，p1为前组透镜的光焦度。所述光学成像系统的焦距pall为：pall＝plc*(1-d1*p1)*(1–d2*p2)+pg所述光学成像系统的光焦度变化量δp为：δp＝pall-pg＝plc*(1-d1*p1)*(1–d2*p2)其中，plc为液晶透镜的焦距，p1为前组透镜的焦距，p2为后组透镜的焦距，pg为前组透镜和后组透镜组合的焦距，d1为前组透镜与液晶透镜的光学间隔，d2为后组透镜与液晶透镜的光学间隔。在一种具体实施方式中，如图1所示，所述液晶透镜201位于所述光学成像系统的光阑位置处，所述液晶透镜201的孔径为所述光学成像系统的光阑。所述前组透镜包括：第一透镜101，第二透镜102和第三透镜103，所述第一透镜101、所述第二透镜102和所述第三透镜103的物侧面为凸面，所述第一透镜101、所述第二透镜102和所述第三透镜103的像侧面为凹面，所述后组透镜包括第四透镜104和第五透镜105，所述第四透镜104物侧面为凹面，所述第四透104镜像侧面为凸面，所述第五透镜105物侧面为凸面，所述第五透镜105像侧面为凹面。所述光学成像系统还包括位于所述后组透镜侧的滤光片301和图像传感器401。所述光学系统的焦距为16mm，f/no为3.2，半视场角hfov为12.5°。图1中包含101、102、103的前组透镜和包含104、105的后组透镜组合起来形成主透镜，实现对光线的汇聚作用，将一定距离的物体成像在图像传感器401上；液晶透镜201在不同电压驱动下，光焦度随之发生改变，对光线产生一定的汇聚或者发散作用，可以实现无机械移动的变焦或者对焦功能；滤光片301根据需要对不同波长的波长选择性通过或者滤除，减少不需要波段光线对成像的干扰；图像传感器401将101～105、201、301所成的光学图像转换为电子信号，并经过数字运算电路存储到光学成像系统中，最终在显示设备或者胶片上形成图像。所述光学成像系统的物面半径为12～13，物面间距为3～3.5，或者，所述光学成像系统的物面半径为95～100，物面间距为2.5～3，或者，所述光学成像系统的物面半径为5.0～5.5，物面间距为2.0～2.3，或者，所述光学成像系统的物面半径为35.0～35.5，物面间距为0.09～0.12，或者，所述光学成像系统的物面半径为55～57，物面间距为1.7～1.9，或者，所述光学成像系统的物面半径为2.5～2.6，物面间距为1.0～1.1。所述光学成像系统的物面半径为-10.0～-10.5，物面间距为2.5～3.0，或者，所述光学成像系统的物面半径为-4.0～-4.5，物面间距为0.09～0.11，或者，所述光学成像系统的物面半径为6.3～6.5，物面间距为1.4～1.6，或者，所述光学成像系统的物面半径为13.4～13.6，物面间距为0.9～1.1。所述光学成像系统的物面半径为无限大，物面间距为0.01，或者，所述光学成像系统的物面半径为无限大，物面间距为1，或者，所述光学成像系统的物面半径为无限大，物面间距为2.4，或者，所述光学成像系统的物面半径为无限大，物面间距为0.4，或者，所述光学成像系统的物面半径为无限大，物面间距为3.23。所述光学成像系统的像面半径为无限大。在一种具体实施方式中，所述光学成像系统的结构参数如表1所示。表1光学成像系统结构参数面数面型半径间距材料物面standardinfinity100001standard12.415933h-lak672standard98.658052.7407523standard5.0266782.134915h-zk9b4standard35.271550.15standard56.236891.876889zf66standard2.5553591.04488光阑standardinfinity0.018standardinfinity1bk79standardinfinity2.39932610standard-10.379972.662358h-k9l11standard-4.3145520.112standard6.4236351.521702h-zk9b13standard13.55479114standardinfinity0.4bk715standardinfinity3.232659像面standardinfinity图2、图3分别为所述光学成像系统的rmsspot图和衍射mtf图。实施例二本发明实施例二提供一种光学成像系统的设计方法，所述光学成像系统包括前组透镜、液晶透镜和后组透镜，如图4所示，该方法包括：s401、将所述液晶透镜放置于所述光学成像系统光阑处，光阑口径为所述液晶透镜的通光孔径；s402、将所述液晶透镜等效为理想透镜和预设厚度的平板玻璃，计算所述光学成像系统的入瞳放大率和光焦度；其中，所述光学成像系统的入瞳放大率和光焦度变化量计算过程包括：前组透镜、液晶透镜、后组透镜的光焦度分别为p1，plc和p2；前组透镜、后组透镜与光阑的光学间隔为d1和d2；液晶透镜通光孔径为a；根据光学系统的高斯公式计算：入瞳位置s'为：s'＝1/(1/d1-p1)入瞳直径d为：d＝s'*a/d1则入瞳放大率m为m＝d/a＝s'/d1＝1/(1-d1*p1)根据以上公式，已知前组光焦度p1和前组透镜与液晶透镜的光学间隔d1，可以计算出系统的入瞳放大率m。液晶透镜光学系统光焦度计算过程包括：根据近轴光线追迹方程计算：前组透镜和后组透镜组合的焦距pg为pg＝p1+p2-(d1+d2)*p1*p2整个光学成像系统的焦距pall为pall＝(p1+plc-d1*p1*plc)*(1-d2*p2)+p2-d1*p1*p2＝plc*(1-d1*p1–d2*p2+d1*d2*p1*p2)+pg＝plc*(1-d1*p1)*(1–d2*p2)+pg光焦度变化量δpδp＝pall-pg＝plc*(1-d1*p1)*(1–d2*p2)s403、根据设计要求模拟出不同入瞳放大率对应的前组光焦度p1和系统光焦度变化δp变化关系数据；例如，计算一组设计要求：d2＝5mmfg＝16mmplc＝5m-1。图5是根据设计要求，模拟出入瞳放大率m＝1.8和m＝2.5对应的前组透镜光焦度p1和系统光焦度变化δp变化关系的曲线图。s404、选取至少一组所述前组光焦度p1和系统光焦度变化δp变化关系数据对所述光学成像系统进行优化。具体的，本步骤包括：s4041、根据所述变化关系数据中的光焦度和光学间隔，将前组透镜、液晶透镜和后组透镜分别作为理想透镜进行模拟，模拟图如图6所示。s4042、固定前组透镜，将后组透镜实体化，其中，后组透镜选用2个光学元件，限定所述光学元件的焦距，光线高度，并进行像差优化；s4043、固定后组透镜实体化系统，将前组透镜实体化，其中，前组透镜选用3个光学元件，限定所述光学元件的焦距，光线高度，并进行像差优化；s4044、对所述光学成像系统进行优化，使其在满足光学结构参数的条件下，系统达到预设性能。在一种具体的实施方式中，所述预设性能为液晶透镜在变焦过程中横向放大率不变，所述对所述光学成像系统进行优化，使其在满足光学结构参数的条件下，系统达到预设性能包括：步骤一：根据光学理论论证所述光学成像系统中确定所述液晶透镜在变焦过程中横向放大率不变；具体的，光学成像系统光路图如图7所示，前组透镜和后组透镜组成的主透镜是像差校正良好的定焦镜头，液晶透镜在外加电压的控制下可改变光焦度，光线经过主透镜和液晶透镜后，图像最终成像于图像传感器上。通过电控液晶透镜改变光焦度，可以实现无机械移动的光学对焦方法。本发明同样适用于液体透镜等无机械移动改变光焦度的光学系统。本实施例中，液晶透镜的孔径为整个光学成像系统的光阑，根据几何光学的定义，经过光阑中心的光线称为主光线。主光线代表了一束光线的能量中心，主光线在像面的位置代表物点在像面投射的能量中心的位置，即代表物点在像面上的映射中心点(像点)。如图7，液晶透镜在外加电压下光焦度发生改变，此时边缘光线在液晶透镜上的偏转角度改变(图7中双箭头线所示为边缘光线)。而主光线通过液晶透镜(同时也是光阑)的中心，根据几何光学原理，经过透镜中心的光线不发生偏折。所以电控液晶透镜在光焦度变化的过程中，主光线偏折程度不发生改变(即像点的中心位置不变)，边缘光线会产生与光焦度相应的发散或者汇聚(即像点的模糊程度改变)。由图7可知，变焦过程中放大率m＝h'/h，放大率不变。步骤二、通过光学软件仿真模拟所述液晶透镜在变焦过程中横向放大率不变。具体的，设定液晶透镜作为光学成像系统的光阑，液晶透镜光焦度变化过程中，保持光学成像系统的其他参数不变(如像面位置、主透镜参数等)，测量某个视场下主光线在像面上的高度。图8为光学软件仿真模拟结果，从图8可见，液晶透镜光焦度变化过程中，同一物点在像面上主光线高度不变(对应的像高不变)，即放大率不变(像高/物高)。本发明提供的一种光学成像系统及设计方法，将液晶透镜与光学系统结合起来设计，将液晶透镜放置在光学系统内部适当的位置，通过前组透镜的放大作用，增大系统的入瞳直径，进而增加系统的光通量；更优情况下，将液晶透镜放置于系统光阑的位置，从而实现对焦过程放大率不变的特性，并且减小光学系统的瞳孔像差。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。当前第1页12